Материал: Метода
1.2.Фотометрические приборы для фотоплетизмографии
ипульсовой оксиметрии
Фотоплетизмографию можно рассматривать как метод исследования периферического кровообращения путем оценки уровня абсорбции светового потока биологической тканью.
Внастоящий момент существует три основных метода оценки уровня кровенаполнения тканей: механический, импедансный и абсорбционный.
Впервом случае используется механический принцип изменения давления в плотно приложенном к поверхности кожи датчике, вызванного изменением объема крови в сосудах. Во втором случае применяется известная зависимость импеданса (сопротивления) тканей человека от объема протекающей по ним крови. При этом учитывается взаимосвязь уровня абсорбции светового потока с содержанием в ткани крови.
Фотоплетизмографы по сравнению с электроплетизмографами обладают следующими преимуществами [4]: более высокая чувствительность, линейность измерения датчиком, портативность и быстрота записи, отсутствие помех, связанных с инерционностью преобразователя, возможность регистрации сосудов в любой области кожи и слизистых оболочек человека. Кроме того, фотодатчик не вызывает сдавливания исследуемого участка, т. е. не нарушает кровообращение.
Рассмотрим более подробно механизм получения фотоплетизмограмм.
Известно, что биологические ткани являются проницаемыми для света в диапазоне красных и инфракрасных длин волн. Таким образом, если пропустить через исследуемую ткань (обычно датчики размещают на кончиках пальцев пациента или на мочках ушей) световой поток, то часть поглотится и, оценивая сигнал, полученный с фотоприемника, можно будет оценить величину абсорбции потока. При этом в зависимости от фазы сердечного цикла величина светопоглощения будет меняться, что связано с изменением объема крови в сосудах и, следовательно, величины оптического пути в (1.1). Абсорбцией окружающих тканей можно пренебречь, так как она остается постоянной на протяжении всего измерения. Кроме того, длину волны, на которой проводятся измерения, можно выбрать таким образом, чтобы на нее приходился максимум спектра поглощения какого-либо вещества, специфичного именно для крови.
Полученный сигнал называется фотоплетизмограммой (ФПГ) (рис. 1.4.)
11
А, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Максимальное поглощение в систоле |
|
|
|
отн. ед. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Минимальное поглощение в диастоле
t, с
Рис. 1.4. Фотоплетизмограмма здорового человека
Как видно из рис. 1.4 он носит периодический характер, и его величина изменяется в зависимости от фазы сердечного цикла. Анализ данного сигнала может дать достаточно важную медицинскую информацию: прежде всего, с его помощью можно легко определить частоту пульса. Кроме того, изменения в форме ФПГ могут указывать на наличие гемодинамических нарушений на исследуемом участке русла. Наконец, с помощью фотоплетизмограммы можно косвенно определять значения артериального давления [5].
Существует две основные методические схемы получения фотоплетизмограммы: по величине потока, прошедшего через биологический объект (рис. 1.5), и по величине потока, отраженного от биологического объекта
(рис. 1.6).
|
Ф0 |
Фп |
|
|
ИП |
ИСП |
ФП |
У |
БОМД |
|
|
БО |
|
|
Сосуд
Рис. 1.5. Схема получения фотоплетизмограммы по проходящему потоку
|
ИП |
ИСП |
Ф0 |
БО |
|
|
|||
|
|
|
Фо |
|
БОМД |
У |
ФП |
|
|
Сосуд
Рис. 1.6. Схема получения фотоплетизмограммы по отраженному потоку
12
В первом случае источник светового потока (ИСП), в роли которого обычно выступает светодиод, запитанный от источника питания (ИП), генерирует световой поток Ф0 требуемой длинны волны. В большинстве клинических фотоплетизмографов и пульсоксиметров не используются какиелибо дополнительные оптические системы, поэтому световой поток поступает с источника непосредственно на изучаемую поверхность. Свет проходит через биологический объект (БО), взаимодействует с кровью, после чего ослабленный поток Фп поступает на фотоприемник (ФП) и преобразуется в электрический сигнал. Сигнал усиливается на усилителе (У) и поступает на блок обработки медицинских данных (БОМД). Во втором случае прибор работает аналогично, с той только разницей, что источник светового потока и фотоприемник располагаются по одну сторону от биологического объекта, и построение фотоплетизмограммы осуществляется не по прошедшему потоку, а по отраженному Фо.
Как уже упоминалось, при регистрации фотоплетизмограммы представляется разумным выбрать такую длину волны, на которую приходился бы максимум поглощения какого-либо вещества, присутствующего в организме исключительно в крови. В качестве подобного вещества можно выбрать гемоглобин (Hb), что позволит помимо плетизмограммы получить данные по сатурации крови. Под сатурацией крови понимается отношение количества гемоглобина, связанного с кислородом, к общему количеству гемоглобина в крови1.
Существует довольно большое количество разнообразных вариаций гемоглобина, разновидностей Hb, различающихся составом и строением протомеров своего глобина [6]. Вариабельные полипептидные цепи разных типов Hb кодируются различными генами, что обусловливает различия их аминокислотных последовательностей. А так как первичная структура белка определяет единственно оптимальную конфигурацию высших структур, гемоглобины различных типов различаются вторичной, третичной и четвертичной структурами. Индивидуальные свойства гемоглобинов неразрывно связаны с их структурами, что обеспечивает их различия по физикохимическим свойствам и функциональной активности.
1 Достаточно часто на экзамене приходится слышать ответ, что сатурация – это величина, которая якобы показывает содержание в крови кислорода. Это грубая ошибка, хотя бы потому, что кислород в крови присутствует как в форме связанной с гемоглобином, так и растворенным в плазме крови. Последняя величина не может быть измерена оптическими методами, и следовательно, для определения содержания кислорода в крови использование пульсоксиметров бесполезно. На практике в случае необходимости эту величину косвенно измеряют электрохимическими методами в рамках газового анализа крови.
13
Кроме того, существуют производные гемоглобина: солянокислый гематин, карбоксигемоглобин (HbCO), циангемоглобин (CNHb), метгемоглобин (MetHb), азид-гемоглобин (NaN3Hb), сульфгемоглобин (SHb), азидметгемоглобин (NaN3MetHb) и другие, образующиеся in vivo или in vitro в результате взаимодействия Hb с различными веществами (чаще газами). Такие соединения нефизиологичны, а иногда даже токсичны, но образование многих из них используют для количественной оценки Hb [7]–[9].
На практике обычно считается, что физиологические свойства форм гемоглобина различаются незначительно либо они присутствуют в пренебрежимо малом количестве. Поэтому выделяют четыре основные функциональные формы гемоглобина: редуцированный гемоглобин (его также называют феррогемоглобин или дезоксигемоглобин) и оксигемоглобин, обеспечивающие нормальную транспортно-дыхательную функцию организма, а также карбоксигемоглобин и метгемоглобин. Восстановленный гемоглобин (дезокси-Hb) имеет Fe2+ со свободной шестой валентностью, при присоединении к нему O2 образуется оксигенированная форма гемоглобина (HbO2). При действии на HbO2 ряда окислителей (феррицианид калия, нитриты, хиноны и др.) происходит окисление Fe2+ до Fe3+ с образованием метгемоглобина, не способного к переносу O2. В зависимости от величины pH среды различают кислую и щелочную форму метгемоглобина, содержащих в качестве шестого лиганда H2O или OH-группу. В крови здоровых людей концентрация метгемоглобина составляет 0,83 + 0,42 %. Метгемоглобин обладает способностью прочно связывать фтористый водород, синильную кислоту и другие вещества. Этим его свойством пользуются в медицинской практике для спасения людей, отравленных синильной кислотой. Кроме того, гемоглобин может образовывать устойчивые связи с угарным газом, переходя в форму карбоксигемоглобина.
Таким образом, для того чтобы определить сатурацию кислорода в крови, необходимо знать содержание всех его фракций. Применение для решения данной задачи фотометрических методов облегчается тем, что у всех фракций пики светопоглощения приходятся на разные длины волны [10]
(табл. 1.1).
Таким образом, измеряя значения светопоглощения на разных длинах волн, можно оценить содержание различных фракций гемоглобина, после чего рассчитать итоговую сатурацию.
14
Таблица 1.1
Некоторые характеристики спектров поглощения производных гемоглобина
|
Длина волны |
Миллиэквивалентный |
|
Производное гемоглобина |
(при максимуме |
||
коэффициент светопоглощения, E |
|||
|
поглощений), нм |
||
|
|
||
Дезоксигемоглобин |
431 |
140,00 |
|
555 |
13,04 |
||
|
|||
|
415 |
131,00 |
|
Оксигемоглобин (HbO2) |
542 |
14,37 |
|
|
577 |
15,37 |
|
|
|
|
|
Карбоксигемоглобин (HbCO) |
420 |
192,00 |
|
568 |
14,31 |
||
|
|||
|
|
|
|
Метгемоглобин |
406 |
162,00 |
|
500 |
9,04 |
||
(мет-Hb; pH 7,0…7,4) |
|||
630 |
3,70 |
||
|
|||
|
|
|
|
Циан-метгемоглобин (CN-мет-Hb) |
421 |
122,50 |
|
540 |
10,99 |
||
|
Примечание: миллиэкваивалентные характеристики даны из расчета на 1 гем.
В клинической практике предполагают, что концентрации COHb и MetHb малы по сравнению с концентрацией остальных двух фракций, и измерения проводят на двух длинах волн света. При этом измерения абсорбции света производятся в момент систолического выброса (максимумы амплитуд сигнала фотоприемника) для двух длин волн излучения. Осксигемоглобин имеет минимум поглощения в красной части спектра. В то же время редуцированный гемоглобин (Hb) в этой части спектра имеет более высокое поглощение. В инфракрасной части спектра, наоборот, поглощение HbO2 становится выше поглощения Hb.
Для получения наибольшей чувствительности определения сатурации кислорода длины волн источников излучения выбираются в участках спектра с наибольшей разницей в поглощении света оксигемоглобином и гемоглобином. Этому условию удовлетворяют: красная область при длине волны 660 нм (гемоглобин поглощает примерно в 10 раз больше света, чем оксигемоглобин) и инфракрасная область с длиной волны 940 нм (поглощение у оксигемоглобина больше, чем у гемоглобина).
Для построения датчиков пульсоксиметров используются специально разработанные бескорпусные светодиоды красного и инфракрасного диапазонов, размещенные на одной подложке для совмещения опитических осей излучения. Эти светодиоды включаются поочередно, а оптические сигналы, взаимодействующие с биообъектом, регистрируются широкополосным фо-
15